U.K. 지구시스템모델 UM의 리눅스 클러스터 설치와 성능 평가

윤대옥,송형규,박성수 한국지구과학회 2022 한국지구과학회지 Vol.43 No.6

The state-of-the-art Earth system model as a virtual Earth is required for studies of current and future climate change or climate crises. This complex numerical model can account for almost all human activities and natural phenomena affecting the atmosphere of Earth. The Unified Model (UM) from the United Kingdom Meteorological Office (UK Met Office) is among the best Earth system models as a scientific tool for studying the atmosphere. However, owing to the expansive numerical integration cost and substantial output size required to maintain the UM, individual research groups have had to rely only on supercomputers. The limitations of computer resources, especially the computer environment being blocked from outside network connections, reduce the efficiency and effectiveness of conducting research using the model, as well as improving the component codes. Therefore, this study has presented detailed guidance for installing a new version of the UM on high-performance parallel computers (Linux clusters) owned by individual researchers, which would help researchers to easily work with the UM. The numerical integration performance of the UM on Linux clusters was also evaluated for two different model resolutions, namely N96L85 (1.875o ×1.25o with 85 vertical levels up to 85 km) and N48L70 (3.75o ×2.5o with 70 vertical levels up to 80 km). The one-month integration times using 256 cores for the AMIP and CMIP simulations of N96L85 resolution were 169 and 205 min, respectively. The one-month integration time for an N48L70 AMIP run using 252 cores was 33 min. Simulated results on 2-m surface temperature and precipitation intensity were compared with ERA5 re-analysis data. The spatial distributions of the simulated results were qualitatively compared to those of ERA5 in terms of spatial distribution, despite the quantitative differences caused by different resolutions and atmosphere-ocean coupling. In conclusion, this study has confirmed that UM can be successfully installed and used in high-performance Linux clusters 지구 대기에 영향을 주는 거의 모든 인간활동과 자연현상을 수치적으로 담아내는 지구시스템모델은 기후 위기 의 시대에 활용될 가장 진보한 과학적 도구이다. 특히 우리나라 기상청이 도입한 지구시스템모델인 Unified Model (UM)은 지구 대기 연구의 과학적 도구로써 매우 활용성이 높다. 하지만 UM은 수치 적분과 자료 저장에 방대한 자원 이 필요하여 개별 연구자들은 최근까지도 기상청 슈퍼컴퓨터에만 UM을 가동하는 상황이다. 외부와 차단된 기상청 슈 퍼컴퓨터만을 이용하여 모델 연구를 수행하는 것은 UM을 이용한 모형 개선과 수치 실험의 원활한 수행에 있어 효율성이 떨어진다. 본 연구는 이러한 한계점을 극복할 수 있도록 개별 연구자가 보유한 고성능 병렬 컴퓨터(리눅스 클러스터)에서 최신 버전 UM을 원활하게 설치하여 활용할 수 있도록 UM 시스템 환경 구축 과정과 UM 모델 설치 과정을 구체적으로 제시하였다. 또한 UM이 성공적으로 설치된 리눅스 클러스터 상에서 N96L85과 N48L70의 두 가지 모형 해상도에 대하여 UM 가동 성능을 평가하였다. 256코어를 사용하였을 때, 수평으로 1.875o×1.25o(위도×경도)와 수직으로약 85 km까지 85층 해상도를 가진 N96L85 해상도에 대한 UM의 AMIP과 CMIP 타입 한 달 적분 실험은 각각 169분과 205분이 소요되었다. 저해상도인 3.75o×2.5o와 70층 N48L70 해상도에 대해 AMIP 한달 적분은 252코어를 사용하여33분이 소요되는 적분 성능을 보였다. 또한 적분을 위해 사용된 코어의 개수에 비례하여 적분 성능이 향상되었다. 성능평가 외에 29년 간의 장기 적분을 수행하여 과거 지상 2-m 온도와 강수 강도를 ERA5 재분석자료와 비교하였고, 해상도에 따른 차이도 정성적으로 살펴보았다. 재분석자료와 비교할 때, 공간 분포가 유사하였고, 해상도와 대기-해양 접합에 따라 모의 결과에서 차이가 나타났다. 본 연구를 통해 슈퍼컴퓨터가 아닌 개별 연구자의 고성능 리눅스 클러스터상에서도 UM이 성공적으로 구동됨을 확인하였다.

한반도 봄철 강수량과 성층권 준 2년 주기 진동과의 관계

윤대옥,서지훈,최우갑,박두선,김진영 한국기상학회 2015 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2015 No.10

리눅스 기반 U.K. 지구시스템모형을 이용한 동아시아 SO2 배출에 따른 기상장 변화

윤대옥,송형규,이조한 한국지구과학회 2022 한국지구과학회지 Vol.43 No.1

This study presents a software full setup and the following test execution times in a Linux cluster for the United Kingdom Earth System Model (UKESM) and then compares the model results from control and experimental simulations of the UKESM relative to various observations. Despite its low resolution, the latest version of the UKESM can simulate tropospheric chemistry-aerosol processes and the stratospheric ozone chemistry using the United Kingdom Chemistry and Aerosol (UKCA) module. The UKESM with UKCA (UKESM-UKCA) can treat atmospheric chemistryaerosol-cloud-radiation interactions throughout the whole atmosphere. In addition to the control UKESM run with the default CMIP5 SO2 emission dataset, an experimental run was conducted to evaluate the aerosol effects on meteorology by changing atmospheric SO2 loading with the newest REAS data over East Asia. The simulation period of the two model runs was 28 years, from January 1, 1982 to December 31, 2009. Spatial distributions of monthly mean aerosol optical depth, 2-m temperature, and precipitation intensity from model simulations and observations over East Asia were compared. The spatial patterns of surface temperature and precipitation from the two model simulations were generally in reasonable agreement with the observations. The simulated ozone concentration and total column ozone also agreed reasonably with the ERA5 reanalyzed one. Comparisons of spatial patterns and linear trends led to the conclusion that the model simulation with the newest SO2 emission dataset over East Asia showed better temporal changes in temperature and precipitation over the western Pacific and inland China. Our results are in line with previous finding that SO2 emissions over East Asia are an important factor for the atmospheric environment and climate change. This study confirms that the UKESM can be installed and operated in a Linux cluster-computing environment. Thus, researchers in various fields would have better access to the UKESM, which can handle the carbon cycle and atmospheric environment on Earth with interactions between the atmosphere, ocean, sea ice, and land. 본 연구는 기상청에서 운용 중인 영국 the United Kingdom Earth System Model (UKESM)을 리눅스 클러스터에 설치하여 과거 28년 기간에 대해 적분을 수행하고, 추가적인 수치 실험을 수행하여 얻은 결과와 비교한다. 설치한UKESM은 저해상도 버전이지만, 대류권 대기 화학-에어로졸 과정과 성층권 오존 화학 과정을 동시에 모의하는 United Kingdom Chemistry and Aerosol (UKCA) 모듈을 포함하고 있는 최신 버전이다. 본 연구에 사용된 UKCA가 포함된UKESM (UKESM-UKCA)은 전체 대기에서의 화학, 에어로졸, 구름, 복사 과정이 연동된 모델이다. CMIP5 기존 배출량 자료를 사용하는 UKESM 기준 적분 수치 모의와 함께, 동아시아 지역 이산화황(SO2) 배출이 기상장에 미치는 영향을 평가하기 위하여 CMIP5 SO2 배출량 대신 최신의 REAS 배출자료로 교체한 실험 적분 수치 모의를 수행하였다. 두 수치 모의의 기간은 모두 1982년 1월 1일부터 2009년 12월 31일까지 총 28년이며, 모델 결과는 동아시아 지역 에어로졸 광학 두께, 2-m 온도, 강수 강도의 시간 평균값과 시간 변화 경향의 공간 분포를 분석하고 관측자료와 비교하였다. 모델에서 얻어진 온도와 강수 강도의 공간 분포 패턴은 관측자료와 전반적으로 유사하였다. 또한 UKESM에서모의된 오존 농도와 오존전량의 공간 분포도 위성 관측 자료와 분포 패턴이 일치하였다. 두 UKESM 실험 적분 모의결과로 얻어진 온도와 강수 강도의 선형 변화 경향의 비교를 통해, 동아시아 지역 SO2 지면 배출은 서태평양과 중국북부지역에 대한 온도와 강수량의 변화 경향에 중요한 요인임을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 슈퍼컴퓨터에서만운용되던 UKESM이 리눅스 클러스터 컴퓨팅 환경에도 설치되어 운용이 가능하다는 점을 제시한다. 대기 환경 및 탄소순환을 연구하는 다양한 분야의 연구자들에게도 대기-해양-지면-해빙이 상호작용하는 UKESM와 같은 지구시스템모델이활용될 가능성과 접근성이 높아졌다.

해파의 원리 이해를 위한 파도생성 실험 교육자료

윤대옥 ( Daeok Youn ),장세영 ( Seyeong Jang ) 충북대학교 과학교육연구소 2016 과학교육연구논총 Vol.31 No.2

Wind blowing across the ocean surface generates most ocean waves along an interface between air and water. As the waves approach the shore, the waves break in the surf zone near the seashore. Focussed on the natural phenomenon of breaking waves, a laboratory ocean wave experiment is designed to help students understand physical changes of a ocean wave even in a small classroom. A long water tank filled with water and plastic waterproof panels to generate water waves are needed to carry out the experiment. While students conduct various experimental works like generating and observing waves, they can efficiently understand concepts related to ocean waves such as the classification of waves, types of breaking waves, the movement of water particles and even how to make waves properly. We here present an experiment design with the principle of ocean waves as a teaching material.

Meteorological Responses to Mt. Baekdu Volcanic Eruption over East Asia in an Offline Global Climate-Chemistry Model: A Pilot Study

문병권,윤대옥,박록진,예상욱,김원모,김영호,정재인,우정헌,임을규,송창근 한국기상학회 2011 Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences Vol.47 No.4

We examine the meteorological responses due to the probable eruption of Mt. Baekdu using an off-line Climate-Chemistry model that is composed of the National Center for Atmospheric Research (NCAR) Climate Atmosphere Model version 3 (CAM3) and a global chemistry transport model (GEOS-Chem). Using the aerosol dataset from the GEOS-Chem driven by GEOS-5 meteorology,experiment and control simulations of the climate model are performed and their meteorological differences between the two simulations are analyzed. The magnitudes of volcanic eruption and column injection height were presumably set to 1/200 of the Mt. Pinatubo eruption and 9 km, respectively. Significant temperature drop in the lower troposphere (850 hPa), which is mainly due to a direct effect of prescribed volcanic aerosols from Mt. Baekdu, has been simulated up to about −4 K. The upper atmosphere (150 hPa) right above the volcano, however, shows significant warming due to the absorption of the infrared radiation by volcanic aerosols. As a result of the volcanic eruption in the climate model, wave-like patterns are shown in both the geopotential height and horizontal wind. The changes in the lower atmospheric temperature are well associated with the modification of the atmospheric circulation through the hydrostatic balance. In spite of limitations in our current simulations due to several underlying assumptions, our results could give a clue to understanding the meteorological impacts from Mt. Baekdu eruptions that are currently attracting considerable public attention.

소백산맥에 의한 서풍 파동 발생

김진욱,윤대옥 한국지구과학회 2017 한국지구과학회지 Vol.38 No.1

The westerly waves generation is described in the advanced earth science textbook used at high school as follows: as westerly wind approaches and blows over large mountains, the air flow shows wave motions in downwind side, which can be explained by the conservation of potential vorticity. However, there has been no case study showing the phenomena of the mesoscale westerly waves with observational data in the area of small mountains in Korea. And thus the wind speed and time persistency of westerly winds along with the width and length of mountains have never been studied to explain the generation of the westerly waves. As a first step, we assured the westerly waves generated in the downwind side of Sobaek mountains based on surface station wind data nearby. Furthermore, the critical or minimum wind velocity of the westerly wind over Sobaek mountains to generate the downwind wave were derived and calcuated to be about 0.6 m s−1 for Sobaek mountains, which means that the westerly waves could be generated in most cases of westerly blowing over the mountains. Using surface station data and 4-dimensional assimilation data of RDAPS (Regional Data Assimilation and Prediction System) provided by Korea Meteorological Agency, we also analyzed cases of westerly waves occurrence and life cycle in the downwind side of Sobaek mountains for a year of 2014. The westerly waves occurred in meso-β or -γ scales. The westerly waves generated by the mountains disappeared gradually with wind speed decreasing. The occurrence frequency of the vorticity with meso-β scale got to be higher when the stronger westerly wind blew. When we extended the spatial range of the analysis, phenomena of westerly waves were also observed in the downwind side of Yensan mountains in Northeastern China. Our current work will be a study material to help students understand the atmospheric phenomena perturbed by mountains. 고등학교에서 사용되는 고급지구과학 교과서에서는 서풍이 대규모 산맥을 넘어갈 때 풍하측에 파동이 발생하는 현상을 개략적인 그림으로 제시하여 간략히 이론적으로만 설명하고 있다. 이 현상은 편서풍 파동 현상으로 산을 넘어가는 공기 기둥의 소용돌이도(잠재와도) 보존 이론으로 설명될 수 있다. 그러나 우리나라와 같이 소규모 산맥이 존재하는 지역에서 관측자료를 바탕으로 중규모 편서풍 파동 현상에 대한 사례 연구는 부재하였다. 또한 서풍에 의한 파동이 형성되는 조건인 산맥의 폭과 길이에 따라 서풍의 풍속, 지속시간을 명확히 규정한 선행연구는 미미하다. 따라서 본 연구에서는 우선적으로 소백산맥을 대상으로 근처의 지표 관측소에서 관측한 지역별 상세관측자료를 이용하여 파동이 실제로 형성되는 지 확인하였다. 또한 소백산맥에 의하여 지표 근처에서 서풍 파동이 생성되기 위한 서풍의 최저속도인 임계 속도를 이론적으로 유도하여, 대략 0.6 m s−1의 값을 구하였다. 더 나아가 기상청 2014년 지역예보모델의 4-차원 자료동화 자료를 추가하여 소백산맥 풍하측 서풍 파동 발생의 연중 빈도와 서풍 파동의 진행 발달과정을 고도별로 분석하였다. 발생한 서풍 파동은 meso-β 또는 -γ 규모였다. 파동의 생성 및 소멸은 풍속 또는 풍향과 밀접한 관계가 있으며, 풍속이 감소함에 따라 산맥에 의한 서풍 파동은 점차 소멸되었다. 서풍이 강할수록 상층에 meso-β 규모의 파장을 갖는 와도 생성 비율이 높았다. 분석 범위를 동아시아 권역으로 넓혔을 때 중국 동북부 옌산 산맥에서도 서풍 파동 현상을 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과는 유체지구에 대한 이론과 현상의 이해, 특히 우리나라 산맥에 의해 발생하는 대기의 파동 현상을 실제 관측 자료를 바탕으로 이해를 돕는 교육 자료로 활용될 수 있다.

청주시 미세먼지 배출원의 특성과 대책에 대한 연구

김종연,윤대옥,김영훈,신원정 한국지리학회 2019 한국지리학회지 Vol.8 No.3

According to the 2016 National Air Pollutant Emissions Statistics (CAPSS) released by the Ministry of Environment, Cheongju produced about 4,776.8 tons of fine dust and ultrafine dust in 2016, of which about 2,910 tons (60.9%), Secondary fine dust is about 1,866.4 tons (39.1%). The ratio of secondary fine dust in Cheongju is higher than that of nationwide average of 70:30, which is the ratio of primary fine dust to secondary fine dust. This may be due to the high percentage of pollutants causing secondary fine dust compared to other regions. Among the air pollutants emitted from Cheongju region, sulfur oxides are rapidly decreasing and nitrogen oxides are insignificant but overall tend to decrease, while the amount of volatile organic compounds increases. As a result of the chimney remote monitoring system (TMS), NOX also increases in the waste incineration plant. Estimates of volatile organic compounds have also been shown to be quite high in the processing of waste. Accordingly, the main sources of fine dust in Cheongju are estimated to be road transport pollutants (23.3%), non-road transport pollutants (9.4%), biomass combustion (8.7%), manufacturing combustion (6.3%), and waste treatment (4.9%) to be. The rate of fine dust discharged by waste disposal is more than seven times the national average of 0.67%. In particular, Cheongju seems to have a high proportion of incineration of industrial wastes from outside, and research on the movement of waste incinerators between regions and governmental regulation are essential. It seems necessary to establish a research infrastructure and foster human resources to enable accurate analytical research and policy research in the region. 환경부가 공개한 2016년 국가 대기오염 물질배출량 통계(대기보건정책지원시스템: CAPSS)에 의하면, 청주시에서는 2016년 약 4,776.8ton의 미세먼지와 초미세먼지가 만들어 졌으며, 그중 1차 미세먼지는 약 2,910ton(60.9%), 2차 미세먼지는 약 1,866.4ton(39.1%)이다. 우리나라 전체의 1차 미세먼지:2차 미세먼지의 비율인 70:30 정도에 비하여 2차 미세먼지의 비율이 높은 것으로 볼 수 있다. 이는 2차 미세먼지를 유발하는 오염 물질의 비율이 다른 지역에 비하여 높은 데 기인하는 것으로 볼 수 있다. 청주 지역에서 배출되는 대기오염 물질 가운데 황산화물의 경우 급격히 감소하고 있고, 질소산화물 역시 미미하지만 전반적인 감소의 경향성을 보이는 데 반하여 휘발성 유기화합물질이 양은 증가하는 양상을 보인다. 굴뚝원격감시체계의 결과에 의하면 질소산화물(NOX) 역시 폐기물 소각 시설을 중심으로 증가한다. 휘발성 유기화합물질의 배출 추정량 역시 폐기물 중간처리 부분이 차지하는 비중이 상당히 높은 것으로 나타나고 있다. 이에 따라, 청주시의 주된 미세먼지 배출원으로 추정되는 것은 도로 이동 오염원(23.3%), 비도로 이동 오염원(9.4%), 생물성 연소(8.7%), 제조업 연소(6.3%), 폐기물 중간처리(4.9%)이다. 폐기물 처리에 의한 미세먼지 배출 비율은 전국 평균 0.67%의 7배 이상에 해당하는 상당히 높은 비율로 이에 대한 대책이 필요한 것으로 보인다. 특히 청주시의 경우 외부로부터 유입된 사업장폐기물의 소각 비중이 높은 것으로 보이며, 폐기물 소각장의 지역 간 이동 등에 대한 연구와 정부 차원의 규제가 필수적인 것으로 보인다. 지역에서의 정확한 분석 연구와 정책 연구를 활성화할 수 있는 연구 인프라의 구축과 인력 양성이 필수적인 것으로 보인다.

대기화학-에어로졸 연동에 따른 기후예측시스템(GloSea6)의동아시아 봄철 예측 성능 향상 가능성

송형규,윤대옥,이조한,신범철 한국지구과학회 2024 한국지구과학회지 Vol.45 No.1

The global seasonal forecasting system version 6 (GloSea6) operated by the Korea MeteorologicalAdministration for 1- and 3-month prediction products does not include complex atmospheric chemistry-aerosol physicalprocesses (UKCA). In this study, low-resolution GloSea6 and GloSea6 coupled with UKCA (GloSea6-UKCA) wereinstalled in a CentOS-based Linux cluster system, and preliminary prediction results for the spring of 2000 wereexamined. Low-resolution versions of GloSea6 and GloSea6-UKCA are highly needed to examine the effects ofatmospheric chemistry-aerosol owing to the huge computational demand of the current high resolution GloSea6. Thespatial distributions of the surface temperature and daily precipitation for April 2000 (obtained from the two model runsfor the next 75 days, starting from March 1, 2000, 00Z) were compared with the ERA5 reanalysis data. The GloSea6-UKCA results were more similar to the ERA5 reanalysis data than the GloSea6 results. The surface air temperature anddaily precipitation prediction results of GloSea6-UKCA for spring, particularly over East Asia, were improved by theinclusion of UKCA. Furthermore, compared with GloSea6, GloSea6-UKCA simulated improved temporal variations in thetemperature and precipitation intensity during the model integration period that were more similar to the reanalysis data. This indicates that the coupling of atmospheric chemistry-aerosol processes in GloSea6 is crucial for improving the springpredictions over East Asia. 1개월과 3개월 장기 예보를 지원하기 위해 기상청에서 현업운용 중인 GloSea6 기후예측시스템에는 대기 중 대기화학-에어로졸 물리과정(UKCA)이 연동되어 있지 않다. 본 연구에서는 저해상도의 GloSea6와 여기에 대기화학-에어로졸 과정을 연동시킨 GloSea6-UKCA를 CentOS 기반 리눅스 클러스터에 설치하여 2000년 봄철에 대한 예비적인 예측결과를 살펴보았다. 현업 고해상도 GloSea6 모델이 방대한 전산자원을 필요로 한다는 점을 고려할 때, 저해상도GloSea6와 GloSea6-UKCA 모델은 대기화학-에어로졸 과정의 연동에 따른 효과를 살펴보기에 적합하다. 저해상도GloSea6와 GloSea6-UKCA는 2000년 3월 1일 00Z부터 75일 간 구동되었으며, 두 모델이 예측한 2000년 4월 지상 기온과 일평균 강수량의 공간 분포를 ERA5 재분석자료와 비교하였다. GloSea6-UKCA가 예측한 기온과 강수 분포는 기존GloSea6에 비해 ERA5 재분석자료에 보다 더 유사해졌다. 특히 우리나라를 포함한 동아시아 지역에 대해 과대 모의 경향이 있던 봄철 지상 기온과 일평균 강수량의 예측 결과의 개선이 주목할 만하다. 또한 적분 시간에 따른 예측된 기온과 강수량의 시계열에서도 GloSea6-UKCA가 GloSea6보다 재분석자료에 더 가까워진 시간 변화 경향을 살펴볼 수 있었다. 이는 대기화학-에어로졸 과정이 GloSea6에 연동되었을 때 동아시아지역 봄철 예측 성능이 개선될 수 있음을 보여준다.

통계적 기법을 활용한 서해안 화력발전소 오염물질 배출에 따른 수도권 지표면 대기오염농도 영향의 분석

주재민,윤대옥 한국지구과학회 2019 한국지구과학회지 Vol.40 No.6

The effects of the coal-fired power plant emissions, as the biggest point source of air pollutants, on spatio-temporal surface air pollution over the remote area are investigated in this study, based on a set of date selection and statistical technique to consider meteorological and geographical effects in the emission-concentration (source-receptor) relationship. We here proposed the sophisticated technique of data processing to separate and quantify the effects. The data technique comprises a set of data selection and statistical analysis procedure that include data selection criteria depending on meteorological conditions and statistical methods such as Kolmogorov-Zurbenko filter (K-Z filter) and empirical orthogonal function (EOF) analysis. The data selection procedure is important for filtering measurement data to consider the meteorological and geographical effects on the emission-concentration relationship. Together with meteorological data from the new high resolution ECMWF reanalysis 5 (ERA5) and the Korea Meteorological Administration automated surface observing system, air pollutant emission data from the telemonitoring system (TMS) of Dangjin and Taean power plants as well as spatio-temporal air pollutant concentrations from the air quality monitoring system are used for 4 years period of 2014-2017. Since all the data used in this study have the temporal resolution of 1 hour, the first EOF mode of spatio-temporal changes in air pollutant concentrations over the Seoul metropolitan area (SMA) due to power plant emission have been analyzed to explain over 97% of total variability under favorable meteorological conditions. It is concluded that SO2, NO2, and PM10 concentrations over the SMA would be decreased by 0.468, 1.050 ppb, and 2.045 µg m−3 respectively if SO2, NO2, and TSP emissions from Dangjin power plant were reduced by 10%. In the same way, the 10% emission reduction in Taean power plant emissions would cause SO2, NO2, and PM10 decreased by 0.284, 0.842 ppb, and 1.230 µg m−3 over the SMA respectively. Emissions from Dangjin power plant affect air pollution over the SMA in higher amount, but with lower R value, than those of Taean under the same meteorological condition. 본 연구는 화력발전소 배출로 인한 지표면 오염물질 농도의 시·공간적 영향을 실측 자료를 바탕으로 정량적으로 분석하려는 목적으로 수행되었다. 배출과 농도 관계의 정량적 분석을 위해 우선 기상 조건과 주변 배출원의 영향을 고려하였다. 이를 위해 자료의 선택과 관측지점 선정 과정을 제안하였고, 선정된 지표면 시·공간 자료에 K-Z 필터와 경험직교함수(EOF) 분석 기법을 적용하였다. 사용된 자료는 2014-2017년 4년의 기간 동안 당진과 태안 화력발전소 굴뚝 자동측정기기의 농도값을 이용하여 산출한 한 시간 평균 배출량 자료와 지표면 대기오염농도 측정망 자료이다. 기상자료로는 최근 배포 중인 ERA5 재분석자료와 기상청 종관기상관측소 한 시간 평균 자료가 사용되었다. 발전소만의 영향이 최대한 보이도록 기상 효과와 지리적인 요인을 고려하여 선택한 시간대의 선정된 관측소 자료만을 이용하여 분석한 결과, 지표면 대기오염물질의 EOF 첫 번째 모드는 SO2, NO2, PM10 모두에 대해 97% 이상의 변동성을 설명하였다. 또한 지표면 농도장의 EOF 첫 번째 모드의 시계열은 화력발전소 배출과 유의미한 상관성을 보였다. 결과적으로 당진 화력발전소 SO2, NO2, TSP 시간 당 배출량이 각각 10%가 감소하면, 남서풍 계열의 바람에 의해 직접 영향을 받는 서울 수도권 지표면 평균 SO2 농도는 0.468 ppb (R=0.384), NO2는 1.050 ppb (R=0.572), PM10은 2.045 µg m−3(R=0.343) 정도가 감소한다고 판단할 수 있다. 태안화력발전소의 경우, SO2, NO2, TSP 배출량을 각각 시간당 10%씩 감축하면, SO2는 0.284 ppb (R=0.648), NO2는 0.842 ppb (R=0.683), PM10은 1.230 µg m−3 (R=0.575) 정도가 감소될 수 있음을 확인하였다. 태안화력발전소는 당진화력발전소에 비해 수도권지역 농도에 미치는 영향은 작았으나, 상관관계는 더 높았다.

고해상도 재분석자료와 관측소 1시간 평균 지상 온도 비교

송형규,윤대옥 한국지구과학회 2020 韓國地球科學會誌 Vol.41 No.2

Comparisons between two different surface temperatures from high-resolution ECMWF ReAnalysis 5 (ERA5) and Automated Synoptic Observing System (ASOS) observations were performed to investigate the reliability of the new reanalysis data over South Korea. As ERA5 has been recently produced and provided to the public, it will be highly used in various research fields. The analysis period in this study is limited to 1999-2018 because regularly recorded hourly data have been provided for 61 ASOS stations since 1999. Topographic characteristics of the 61 ASOS locations are classified as inland, coastal, and mountain based on Digital Elevation Model (DEM) data. The spatial distributions of whole period time-averaged temperatures for ASOS and ERA5 were similar without significant differences in their values. Scatter plots between ASOS and ERA5 for three different periods of yearlong, summer, and winter confirmed the characteristics of seasonal variability, also shown in the time-series of monthly error probability density functions (PDFs). Statistical indices NMB, RMSE, R, and IOA were adopted to quantify the temperature differences, which showed no significant differences in all indices, as R and IOA were all close to 0.99. In particular, the daily mean temperature differences based on 1-hour�averaged temperature had a smaller error than the classical daily mean temperature differences, showing a higher correlation between the two data. To check if the complex topography inside one ERA5 grid cell is related to the temperature differences, the kurtosis and skewness values of 90-m DEM PDFs in a ERA5 grid cell were compared to the one-year period amplitude among those of the power spectrum in the time-series of monthly temperature error PDFs at each station, showing positive correlations. The results account for the topographic effect as one of the largest possible drivers of the difference between ASOS and ERA5. 본 연구에서는 고해상도 ERA5 재분석자료 중 우리나라 지상 온도 자료의 신뢰성을 검증할 목적으로 종관기상 관측소(ASOS) 관측자료와 비교를 수행하였다. 새롭게 생산되어 배포 중인 ERA5 재분석자료는 높은 시·공간적 해상도를 가져 여러 분야에 활용성이 매우 높다. 자료의 분석 기간은 ASOS 61개 관측소가 1999년 이후로 결측률이 매우 낮으며 시간평균 자료를 제공한다는 점을 고려하여 1999-2018년 기간으로 설정하였다. ERA5 격자 자료는 격자 내 90-m 수치표고모델(DEM) 분포로부터 내륙, 해안, 산악 지역에 해당하는 지형학적인 특성에 따라 분류하여 ASOS 지점 자료와 비교되었다. 분석 기간 전체에 대한 평균 지상 온도는 ASOS와 ERA5 모두 공간 분포의 패턴과 값은 큰 차이없이 유사하였다. ASOS와 ERA5의 산점도 비교를 통해 전체 기간, 특히 여름, 겨울 기간에 대해 계절 변동성을 가진다는 특성을 확인할 수 있었으며, 이는 달별 두 자료 사이의 매시간 차이 확률밀도함수(PDF)의 시계열을 통해서도 확인되었다. 두 자료 사이의 차이를 통계지수인 NMB, RMSE를 계산하여 정량화시켰을 때, 각 값에서 지역적인 특성을 보였으나 모든 지수에서 큰 차이가 없다고 판단할 수 있었으며, 상관성을 보기 위해 R과 IOA를 통해 구한 값은 모두 0.99에 근접하였다. 특히 일평균 산출에 있어 1-시간-평균 값 24개를 이용한 일평균의 경우가 최고와 최저온도의 평균을 이용하는 일평균에 비해 오차가 작게 나타났고, 두 자료 사이의 상관성도 높게 나타남을 확인하였다. 두 자료의 차이가 나타나는 원인으로 ERA5 격자 내 지형 효과가 가장 클 것으로 판단하여 수치표고모델을 활용하여 각 지역별 PDF를 이용해 첨도 및 왜도를 구하고, 이를 온도 차이 파워 스펙트럼의 1년 주기 변동 크기와 비교하였다. 그 결과, 양의 상관성을 가졌음을 확인하였다. 이는 지형 효과가 두 자료 차이의 원인이라고 설명하는 결과이다.